一、跨主机网络概述
前面已经学习了 Docker 的几种网络方案：none、host、bridge 和 joined 容器，它们解决了单个 Docker Host 内容器通信的问题。本章的重点则是讨论跨主机容器间通信的方案。
- docker 原生的 overlay 和 macvlan。
- 第三方方案：常用的包括 flannel、weave 和 calico。
二、准备 overlay 环境
为支持容器跨主机通信，Docker 提供了 overlay driver。Docerk overlay 网络需要一个 key-value 数据库用于保存网络状态信息，包括 Network、Endpoint、IP 等。Consul、Etcd 和 ZooKeeper 都是 Docker 支持的 key-vlaue 软件，我们这里使用 Consul。
1、环境描述
我们会直接使用上一节 docker-machine 创建的实验环境。在 docker 主机 host1（192.168.1.201）和 host2（192.168.1.203）上实践各种跨主机网络方案，在 192.168.1.200 上部署支持的组件，比如 Consul。
2、创建 consul
在 192.168.1.200 这台设备上面执行如下命令。
docker run -d -p 8500:8500 -h consul --name consul progrium/consul -server -bootstrap
容器启动后，可以通过 http://192.168.1.200:8500 访问 Consul。
3、修改 docker 配置文件
接下来修改 host1 和 host2 的 docker daemon 的配置文件 /etc/systemd/system/docker.service.d/10-machine.conf。
--cluster-store 指定 consul 的地址。
--cluster-advertise 告知 consul 自己的连接地址。
重启 docker daemon。
systemctl daemon-reload
systemctl restart docker.service
host1 和 host2 将自动注册到 Consul 数据库中。
4、准备就绪
准备就绪，实验环境如下图：
三、创建 overlay 网络
1、在 host1 中创建网络
在 host1 中创建 overlay 网络 ov_net1。
[root@ubuntu ~ [host1]]# docker network create -d overlay ov_net1
49a8ea9add6a80d44cbd6becf22d66af40072cf9c3a346d66f94a6e72d8042e5
- -d overlay 指定 driver 为 overlay。
docker network ls 查看当前网络：
[root@ubuntu ~ [host1]]# docker network ls
NETWORK ID NAME DRIVER SCOPE
d0829fccb85c bridge bridge local
f59af6b0b523 host host local
2613e0c2029e none null local
49a8ea9add6a ov_net1 overlay global
2、host2 查看创建的网络
注意到 ov_net1 的 SCOPE 为 global，而其他网络为 local。在 host2 上查看存在的网络：
[root@ubuntu ~ [host1]]# eval $(docker-machine env host2)
[root@ubuntu ~ [host2]]# docker network ls
NETWORK ID NAME DRIVER SCOPE
25f2e4a0bc16 bridge bridge local
bdab05c9c6b9 host host local
240f2dc93d43 none null local
49a8ea9add6a ov_net1 overlay global
host2 上也能看到 ov_net1。这是因为创建 ov_net1 时 host1 将 overlay 网络信息存入了 consul，host2 从 consul 读取到了新网络的数据。之后 ov_net 的任何变化都会同步到 host1 和 host2。
3、查看 ov_net1 详细信息
[root@ubuntu ~ [host2]]# docker network inspect ov_net1
[
{
"Name": "ov_net1",
"Id": "49a8ea9add6a80d44cbd6becf22d66af40072cf9c3a346d66f94a6e72d8042e5",
"Created": "2018-05-03T11:29:11.802222991+08:00",
"Scope": "global",
"Driver": "overlay",
"EnableIPv6": false,
"IPAM": {
"Driver": "default",
"Options": {},
"Config": [
{
"Subnet": "10.0.0.0/24",
"Gateway": "10.0.0.1"
}
]
},
"Internal": false,
"Attachable": false,
"Ingress": false,
"ConfigFrom": {
"Network": ""
},
"ConfigOnly": false,
"Containers": {},
"Options": {},
"Labels": {}
}
]
IPAM 是指 IP Address Management，docker 自动为 ov_net1 分配的 IP 空间为 10.0.0.0/24。
四、在 overlay 中运行容器
1、创建容器 bbox1
在 host1 运行一个 busybox 容器并连接到 ov_net1。
[root@ubuntu ~ [host1]]# docker run -itd --name bbox1 --network ov_net1 busybox
5246d782fc8fd30890bcf2bb34374c54db3ee277cae585572f4b20129b68e3fe
2、查看 bbox1 网络配置
[root@ubuntu ~ [host1]]# docker exec bbox1 ip r
default via 172.18.0.1 dev eth1
10.0.0.0/24 dev eth0 scope link src 10.0.0.2
172.18.0.0/16 dev eth1 scope link src 172.18.0.2
bbox1 有两个网络接口 eth0 和 eth1。
eth0 IP 为 10.0.0.2，连接的是 overlay 网络 ov_net1。eth1 IP 172.18.0.2，容器的默认路由是走 eth1，其实，docker 会创建一个 bridge 网络 “docker_gwbridge”，为所有连接到 overlay 网络的容器提供访问外网的能力。
[root@ubuntu ~ [host1]]# docker network ls
NETWORK ID NAME DRIVER SCOPE
74bdaebd8ae5 bridge bridge local
604a0b967e13 docker_gwbridge bridge local
f59af6b0b523 host host local
2613e0c2029e none null local
49a8ea9add6a ov_net1 overlay global
从 docker network inspect docker_gwbridge 输出可确认 docker_gwbridge 的 IP 地址范围是 172.18.0.0/16，当前连接的容器就是 bbox1（172.18.0.2）。
[root@ubuntu ~ [host1]]# docker network inspect docker_gwbridge
[
{
"Name": "docker_gwbridge",
"Id": "604a0b967e135d41c605547b65853a7a1315fceefe99c051d7a001e4e1207c1c",
"Created": "2018-05-03T11:40:44.426460442+08:00",
"Scope": "local",
"Driver": "bridge",
"EnableIPv6": false,
"IPAM": {
"Driver": "default",
"Options": null,
"Config": [
{
"Subnet": "172.18.0.0/16",
"Gateway": "172.18.0.1"
}
]
},
"Internal": false,
"Attachable": false,
"Ingress": false,
"ConfigFrom": {
"Network": ""
},
"ConfigOnly": false,
"Containers": {
"eba09cf91fa34e3a7eb1ab20047ce08ed8fb0ac4d8f2dc9ddf9a08116575eba2": {
"Name": "gateway_eba09cf91fa3",
"EndpointID": "3dd836e9db9ec3250cfa3bc1662ab8822918a7ea3a30b9e24e2ee7151f5f75b0",
"MacAddress": "02:42:ac:12:00:02",
"IPv4Address": "172.18.0.2/16",
"IPv6Address": ""
}
},
"Options": {
"com.docker.network.bridge.enable_icc": "false",
"com.docker.network.bridge.enable_ip_masquerade": "true",
"com.docker.network.bridge.name": "docker_gwbridge"
},
"Labels": {}
}
]
而且此网络的网关就是网桥 docker_gwbridge 的 IP 172.18.0.1，在 host1 上面查看。
root@host1:~# ifconfig docker_gwbridge
docker_gwbridge Link encap:Ethernet HWaddr 02:42:95:80:cf:70
inet addr:172.18.0.1 Bcast:172.18.255.255 Mask:255.255.0.0
inet6 addr: fe80::42:95ff:fe80:cf70/64 Scope:Link
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:8 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0
RX bytes:0 (0.0 B) TX bytes:648 (648.0 B)
这样容器 bbox1 就可以通过 docker_gwbridge 访问外网。
五、overlay 网络连通性
1、host2 中运行 bbox2
[root@ubuntu ~ [host2]]# docker run -itd --name bbox2 --network ov_net1 busybox
Unable to find image 'busybox:latest' locally
latest: Pulling from library/busybox
f70adabe43c0: Pull complete
Digest: sha256:58ac43b2cc92c687a32c8be6278e50a063579655fe3090125dcb2af0ff9e1a64
Status: Downloaded newer image for busybox:latest
457e0e4363216d3fe70ea471f3c671863f166bf6d64edf1a92232d0cb585bd85
2、查看 bbox2 路由情况
[root@ubuntu ~ [host2]]# docker exec bbox2 ip r
default via 172.18.0.1 dev eth1
10.0.0.0/24 dev eth0 scope link src 10.0.0.3
172.18.0.0/16 dev eth1 scope link src 172.18.0.2
3、互通测试
bbox2 IP 为 10.0.0.3，可以直接 ping bbox1：
[root@ubuntu ~ [host2]]# docker exec bbox2 ping -c 2 bbox1
PING bbox1 (10.0.0.2): 56 data bytes
64 bytes from 10.0.0.2: seq=0 ttl=64 time=24.710 ms
64 bytes from 10.0.0.2: seq=1 ttl=64 time=0.524 ms
--- bbox1 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.524/12.617/24.710 ms
可见 overlay 网络中的容器可以直接通信，同时 docker 也实现了 DNS 服务。
4、实现原理
docker 会为每个 overlay 网络创建一个独立的 network namespace，其中会有一个 linux bridge br0， veth pair 一端连接到容器中（即 eth0），另一端连接到 namespace 的 br0 上。
br0 除了连接所有的 veth pair，还会连接一个 vxlan 设备，用于与其他 host 建立 vxlan tunnel。容器之间的数据就是通过这个 tunnel 通信的。逻辑网络拓扑结构如图所示：
root@host1:~# brctl show
bridge name bridge id STP enabled interfaces
docker0 8000.0242cf3d50df no
docker_gwbridge 8000.02429580cf70 no vethb08d6be
root@host2:~# brctl show
bridge name bridge id STP enabled interfaces
docker0 8000.0242303d222f no
docker_gwbridge 8000.02423eb55e58 no vethdb98439
要查看 overlay 网络的 namespace 可以在 host1 和 host2 上执行 ip netns（请确保在此之前执行过 ln -s /var/run/docker/netns /var/run/netns），可以看到两个 host 上有一个相同的 namespace "1-49a8ea9add"：
root@host1:~# ip netns
c0052da621d7 (id: 1)
1-49a8ea9add (id: 0)
root@host2:~# ip netns
e486246b39d9 (id: 1)
1-49a8ea9add (id: 0)
"1-49a8ea9add" 这就是 ov_net1 的 namespace，查看 namespace 中的 br0 上的设备。
root@host1:~# ip netns exec 1-49a8ea9add brctl show
bridge name bridge id STP enabled interfaces
br0 8000.767c8828d7b0 no veth0
vxlan0
六、overlay 网络隔离
1、创建网络 ov_net2
不同的 overlay 网络是相互隔离的。我们创建第二个 overlay 网络 ov_net2 并运行容器 bbox3。
root@host1:~# docker network create -d overlay ov_net2
7c2ac9ec1a0ec477aa9230bcfffd91b1b79bee6ea7007a7a5de20ccae0b3d91c
2、启动容器 bbox3
root@host1:~# docker run -itd --name bbox3 --network ov_net2 busybox
1a3d81915a57b195a8b0baa2d1444bbeb5c947e7e203752ed975d6a900dbb141
3、查看 bbox3 网络
bbox3 分配到的 IP 是 10.0.1.2，尝试 ping bbox1（10.0.0.2）。
root@host1:~# docker exec -it bbox3 ip r
default via 172.18.0.1 dev eth1
10.0.1.0/24 dev eth0 scope link src 10.0.1.2
172.18.0.0/16 dev eth1 scope link src 172.18.0.3
ping 失败，可见不同 overlay 网络之间是隔离的。即便是通过 docker_gwbridge 也不能通信。
如果要实现 bbox3 与 bbox1 通信，可以将 bbox3 也连接到 ov_net1。
docker network connect ov_net1 bbox3
docker 默认为 overlay 网络分配 24 位掩码的子网（10.0.X.0/24），所有主机共享这个 subnet，容器启动时会顺序从此空间分配 IP。当然我们也可以通过 --subnet 指定 IP 空间。
docker network create -d overlay --subnet 10.22.1.0/24 ov_net3